CN114149686B - 一种介电弹性体基微结构表面液体输运方向控制阀门及其制备方法 - Google Patents

一种介电弹性体基微结构表面液体输运方向控制阀门及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种介电弹性体基微结构表面液体输运方向控制阀门及其制备方法，制备具有V型棱柱结构(VPM)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜作为疏水VPM弹性体薄膜，在疏水VPM弹性体薄膜的两个表面均喷涂有银纳米线，银纳米线外边缘粘贴有铜胶带，并通过铜胶带固定连接电源。电源未接通时，薄膜保持平面状态，液体会向‑X方向输运；电源接通时，薄膜突起，疏水VPM弹性体薄膜的弯曲曲率半径改变，调整合适电压，液体向反方向输运。本发明通过电场非接触、远距离即可对表面浸润性进行动态可逆调控，制备得到的控制阀门在微反应器、微流体装置以及药物输送、传递及释放等领域都具有广阔的应用前景。

Description

一种介电弹性体基微结构表面液体输运方向控制阀门及其制 备方法
技术领域
本发明涉及电场控制和具有微纳米结构疏水表面液体输运控制技术领域，更具体的说是涉及一种介电弹性体基微结构表面液体输运方向控制阀门及其制备方法。
背景技术
目前，介电弹性体是弹性材料中一种多功能的电致激活高分子材料，在电场中由于电荷的相互作用进行可逆变形，可用于设计和制造智能转换设备，如致动器、传感器和能源集成设备。与传统膜不同的是，介电弹性体膜是电响应智能功能型薄膜，具有高变形性(380％)、高能量密度(3.4J/g)、响应速度快以及持久耐用等优点，已成为新的研究热点。
传统的介电弹性体已应用于触觉装置，以在手指触碰时产生触觉反馈，并应用于具有圆柱形结构的管状驱动系统来提供纵向运动。但是，在致动器、传感器和能源集成设备等进行实际应用需要更复杂的多功能驱动能力，而不是简单地改变尺寸和形状。
现有电场控制介电弹性体基表面的液滴浸润性调控可大致分为两类：一种是直接在介电弹性体表面通过控制表面褶皱来调节表面的粗糙度，进而改变液滴在其表面的浸润性；另一种是在介电弹性体薄膜上构筑液体浸入的滑移表面，通过电场拉伸介电弹性体薄膜来控制液体在表面的钉扎及滑移行为。两种方法存在的主要问题是难以控制液体输运的方向且液体在输运过程中由于润滑油的存在会受到污染。
另外，液体的定向输运行为主要发生在亲液表面，因为它能够通过表面化学和结构梯度打破接触线的对称性。目前的研究主要集中在液体单向输运，基于改变各向异性微结构的排列方式从而切换液体传输方向难以实现。
因此，提供一种介电弹性体基微结构表面液体输运方向控制阀门及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种介电弹性体基微结构表面液体输运方向控制阀门及其制备方法，基于介电弹性体高变形性、高能量密度以及响应速度快等特点，将其与功能性浸润表面相结合，通过电场非接触、远距离即可对表面浸润性进行动态可逆调控，制备得到控制阀门在微反应器、微流体装置以及药物输送、传递及释放等领域都具有广阔的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种疏水VPM弹性体薄膜，所述疏水VPM弹性体薄膜为具有V型棱柱结构的PDMS薄膜。
优选的，所述V型棱柱凹槽结构的臂长在25μm-100μm之间，臂厚为5μm，臂夹角为30°-120°，高度为10μm-20μm，横纵间距相等且在5μm-100μm之间。
上述优选技术方案的有益效果是：本发明提供的疏水VPM弹性体薄膜中，通过改变V型棱柱结构之间的距离，使液滴在疏水VPM弹性体薄膜表面的浸润方向也会发生改变，从而使液体向反方向输送。且V型棱柱结构具有液体各向异性浸润特性；由于PDMS薄膜为弹性薄膜，在拉伸薄膜的情况下，表面V型棱柱结构的形状和间距都会发生改变，可通过拉伸控制液体在VPM弹性体表面的浸润行为。
本发明还提供了一种介电弹性体基液体输运方向控制阀门，所述液体输运方向控制阀门包括所述疏水VPM弹性体薄膜，且在所述疏水VPM弹性体薄膜的两个表面均喷涂有银纳米线，所述银纳米线电极外边缘各粘贴有一根铜胶带，并通过所述铜胶带固定连接电源。
优选的，所述疏水VPM弹性体薄膜通过电场调节其平面弯曲至弯曲，当弯曲半径为25±2mm时，液体输运方向发生逆转。
上述优选技术方案的有益效果是：本发明通过控制电源电压可以控制疏水VPM弹性体薄膜的突起，即使疏水VPM弹性体薄膜的弯曲曲率半径改变，同时V型结构之间的横间距和夹角也会改变，从而会直接影响液滴的浸润方向。因此，本发明可以通过调整电源电压来控制液体输运方向。
本发明还提供了一种如上所述介电弹性体基液体输运方向控制阀门的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)利用光刻法处理硅片，形成V型棱柱凹槽结构，得到基片；
(2)将主剂与硬化剂混合，然后利用抽真空的方法去除气泡，得到混合液；
(3)将所述混合液倒在所述基片上，利用手术刀法除去所述V型棱柱凹槽结构之外的混合液，然后进行固化处理，得到固化薄膜；
(4)将所述固化薄膜从硅片上取出，即得到疏水VPM弹性体薄膜；
(5)在所述疏水VPM弹性体薄膜的两个表面分别喷涂银纳米线作为电极，所述银纳米线外边缘粘贴有铜胶带，并通过所述铜胶带固定连接电源。上述优选技术方案的有益效果：银纳米线作为电极在喷射层薄的情况下不会堵塞介电弹性体表面微结构且使介电弹性体膜保持透明，即使在拉伸的情况下也可以保持其导电性。
优选的，步骤(1)中所述光刻法处理硅片的具体操作为：在所述硅片的抛光一面旋涂光刻胶形成光刻胶掩膜并于避光条件保存，然后进行加热处理，再进行紫外曝光及显影处理形成周期性的V型棱柱微结构掩膜图形，接着进行刻蚀V型棱柱凹槽结构，最后在V型棱柱凹槽结构一侧旋涂一层光刻胶、并切片，即可得到所述基片。
优选的，所述旋涂的转速为3000r/min，时间为60s；所述光刻胶掩膜的厚度为1±0.2μm；所述加热时间为30min；所述刻蚀分别采用SF6和CF4作为刻蚀气体共刻蚀30个循环，所述SF6的气体流量为1sccm、时间为5s，所述CF4的气体流量为100sccm、时间为5s。
优选的，所述光刻胶为美国S1813公司生产的正性光刻胶；其中采用多功能匀胶烘胶仪进行旋涂。
优选的，首先将美国S1813公司生产的正性光刻胶用多功能匀胶烘胶仪利用旋涂的方式均匀地涂在硅片抛光的一面作为刻蚀掩膜，其转速设为3000r/min，时间为60s；最终在硅片基底上得到光刻胶掩膜，厚度为1±0.2μm，取出放在避光处待用；将涂覆有光刻胶的单晶硅片基底放在加热板上加热30min，然后进行紫外曝光及显影处理，得到所需的具有周期性v型棱柱微结构的掩膜图形；将上述制备得到的具有V型棱柱微结构掩膜图形的硅片基底放入反应离子刻蚀机的腔体中，启动程序；通过刻蚀将单晶硅基底制备成具有V型棱柱微结构的表面。刻蚀工艺为：SF6和CF4作为刻蚀气体，分别刻蚀5s和12s，共刻蚀30个循环，气体流量分别为1sccm和100sccm；最后在具有V型棱柱结构的硅片表面旋涂一层光刻胶作为保护膜，然后切片。
上述优选技术方案的有益效果：光刻法是利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图形完全一致的图形。随着半导体技术的发展，光刻技术传递图形的尺寸限度缩小了2～3个数量级(从毫米级到亚微米级)，已从常规光学技术发展到应用电子束、X射线、微离子束、激光等新技术；使用波长已从4000埃扩展到0.1埃数量级范围。光刻技术成为一种精密的微细加工技术。
优选的，步骤(2)中所述主剂为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，所述硬化剂为硅酮树脂溶液，质量浓度为0.19-0.20wt％；所述主剂与所述硬化剂的混合比例为5：1-10：1，混合比例不同，介电弹性体薄膜的弹性不同，形变所需电压也不同。
上述优选技术方案的有益效果：PDMS薄膜微透明的弹性体薄膜，并且可以在电场的作用下实现可逆的伸缩，具有大应变和应力、快速响应、使用寿命长、可靠性良好等优良特性。
优选的，步骤(2)中所述除气泡是置于真空干燥器中20℃下抽真空20min或室温下放置30min。
上述优选技术方案的有益效果：去除气泡保证PDMS膜表面的结构不受破坏，并且相比较自然条件下除气泡，利用抽真空法可以更节省时间。
优选的，步骤(3)中所述手术刀法的具体操作为在所述基片周围粘贴透明胶带，将所述混合液倾倒在粘贴好透明胶带的基片上，用玻璃片将表面多余的所述混合液刮除。上述优选技术方案的有益效果：其中透明胶带的厚度决定了介电弹性体的厚度，可以准确控制PDMS膜的厚度。
优选的，步骤(3)中所述固化处理温度为60℃-80℃，时间为40-60min，压强为1.013×105Pa。
上述优选技术方案的有益效果：与自然条件下固化相比，可缩短固化时间。
上述优选技术方案的有益效果：经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种介电弹性体基液体输运方向控制阀门的制备方法，具有如下有益效果：
(1)本发明提供的疏水VPM弹性体薄膜通过在介电弹性体表面构筑V型棱柱结构获得，通过改变该表面的浸润性即可改变液滴在该表面的输运方向，并且通过利用电场可动态调控VPM弹性体薄膜弯曲的半径以改变V型棱柱结构间间距和V型棱柱的夹角，进而改变液滴在该表面的浸润方向，达到对液体输运方向的控制；
(2)本发明通过控制电源电压可以控制疏水VPM弹性体薄膜的突起，即使疏水VPM弹性体薄膜的弯曲曲率半径改变，同时V型结构之间的横间距和夹角也会改变，从而会直接影响液滴的浸润方向。因此，本发明可以通过调整电源电压来控制液体输运方向。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的具有V型结构的疏水VPM弹性体表面结构示意图；
图2附图为本发明提供的液体在不同横纵间距的管状疏水VPM弹性体内的输运情况；
图3附图为本发明提供的液滴在不同弯曲半径疏水VPM弹性体薄膜表面的浸润行为；
图4附图为本发明提供的液体输运方向控制阀门示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1公开了一种疏水VPM弹性体薄膜，疏水VPM弹性体薄膜为具有V型棱柱凹槽结构的PDMS薄膜；其中V型棱柱凹槽结构的臂长为25μm-100μm,臂厚为5μm，臂夹角为30°-120°，高度为10μm-20μm。
为了进一步优化技术方案，V型棱柱结构等间距排列，其中横纵间距a＝b＝5μm-100μm。
实施例2
如图4所示，本发明实施例2提供了一种介电弹性体基液体输运方向控制阀门，液体输运方向控制阀门包括实施例1公开的疏水VPM弹性体薄膜，且在疏水VPM弹性体薄膜的两个表面均喷涂有银纳米线，银纳米线电极层两侧外边缘各粘贴有一根铜胶带，并通过铜胶带固定连接电源。
电源未接通时，薄膜保持平面状态，液体会向沿-X方向输运；电源接通时，薄膜突起，疏水VPM弹性体薄膜的弯曲曲率半径改变，调整合适电压，液体输运方向改变。
其中，疏水VPM弹性体薄膜的弯曲半径为可通过电场调节，当弯曲半径为25±2mm时，液体输运方向发生逆转。
为了进一步优化技术方案，可通过A，B两容器中的液面来控制液体的输运方向，其在实际应用中具体操作如下：
当开关闭合，水泵开始工作向阀门内注入液体，液体通过阀门向A桶中注入，当A桶中液体注满时，阀门所在电路接通，此时阀门内的疏水VPM薄膜在电场的作用下发生弯曲，液体的输运方向发生改变，开始向B桶注入，当B桶水满，浮漂上浮，电源断开则停止注水。
实施例3
本发明实施例3提供了一种介电弹性体基液体输运方向控制阀门的制备方法，其中介电弹性体基液体输运方向控制阀门如实施例2公开所示，具体包括如下步骤：
(1)利用光刻法处理硅片，形成V型棱柱凹槽结构，得到基片；
其中，V型棱柱凹槽结构的臂长为25μm-100μm,臂厚为5μm，臂夹角为30°-120°，凹槽高度为10μm-20μm，横纵间距皆为5μm-100μm；
光刻法的具体操作为：首先将美国S1813公司生产的正性光刻胶用多功能匀胶烘胶仪利用旋涂的方式均匀地涂在硅片抛光的一面作为刻蚀掩膜，其转速设为3000r/min，时间为60s；最终在硅片基底上得到光刻胶掩膜，厚度为1±0.2μm，取出放在避光处待用；将涂覆有光刻胶的单晶硅片基底放在加热板上加热30min，然后进行紫外曝光及显影处理，得到所需的具有周期性v型棱柱微结构的掩膜图形；
将上述制备得到的具有V型棱柱微结构掩膜图形的硅片基底放入反应离子刻蚀机的腔体中，启动程序；通过刻蚀将单晶硅基底制备成具有V型棱柱微结构的表面；刻蚀工艺为：SF6和CF4作为刻蚀气体，分别刻蚀5s和12s，共刻蚀30个循环，气体流量分别为1sccm和100sccm；最后在具有V型棱柱结构的硅片表面旋涂一层光刻胶作为保护膜，然后切片；
(2)将主剂与硬化剂混合，然后置于真空干燥器中抽真空20min除气泡，得到混合液；
主剂为聚二甲基硅氧烷，硬化剂为硅酮树脂溶液，质量浓度为0.19-0.20wt％；主剂与硬化剂的混合比例为5：1-20：1；
(3)将混合液倒在基片上，利用手术刀法除去V型棱柱凹槽结构之外的混合液，然后在烘箱中进行固化处理，得到固化薄膜；
其中固化处理温度为60℃-80℃，时间为40-60min，压强为1.013×105Pa；
(4)将固化薄膜从硅片上取出，即得到疏水VPM弹性体薄膜；
(5)在疏水VPM弹性体薄膜的两个表面分别喷涂银纳米线作为电极，银纳米线电极外边缘粘贴有铜胶带，并通过铜胶带固定连接电源。
效果验证
1、检测液体在不同横纵间距的疏水VPM弹性体薄膜的输运情况；
将VPM介电弹性体薄膜弯曲成管状，在管中间位置向管内注入液体，用摄像机记录液体的输运情况。如下图2所示，改变VPM弹性体薄膜上V型结构之间的距离，V型棱柱之间的横间距会发生改变，液滴在表面的浸润方向也会发生改变，液体的输运方向也会发生改变。
2、检测液滴在不同弯曲半径疏水VPM弹性体薄膜表面的浸润行为；反向改变疏水VPM弹性体膜的弯曲半径，用接触角测试仪拍摄不同弯曲半径下液体在疏水VPM介电弹性体表面的浸润方向(如图3所示)，在改变疏水VPM弹性体膜弯曲半径的同时，V型结构之间的横间距和夹角也会改变，会直接影响液滴的浸润方向。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种疏水VPM弹性体薄膜，其特征在于，所述疏水VPM弹性体薄膜是具有V型棱柱结构的PDMS薄膜；
所述V型棱柱结构的臂长在25μm-100μm之间，臂厚为5μm，臂夹角为30°-120°，高度为10μm-20μm，横纵间距相等且在5μm-100μm。
2.一种介电弹性体基微结构表面液体输运方向控制阀门，其特征在于，所述液体输运方向控制阀门包括权利要求1所述疏水VPM弹性体薄膜，且在所述疏水VPM弹性体薄膜的两个表面均喷涂有银纳米线，所述银纳米线电极层两侧外边缘各粘贴一根铜胶带，并通过所述铜胶带固定连接电源。
3.一种如权利要求2所述介电弹性体基液体输运方向控制阀门的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)利用光刻法处理硅片，形成V型棱柱凹槽结构，得到基片；
(2)将主剂与硬化剂混合，然后利用抽真空的方法去除气泡，得到混合液；
所述主剂为聚二甲基硅氧烷，所述硬化剂的质量浓度为0.19-0.20wt％；所述主剂与所述硬化剂的质量比为5：1-20：1；
所述除气泡是置于真空干燥器中20℃下抽真空20min或室温下放置30min；
(3)将所述混合液倒在所述基片上，利用手术刀法除去所述V型棱柱凹槽结构之外的混合液，然后进行固化处理，得到固化薄膜；
所述手术刀法的具体为在所述基片周围粘贴透明胶带，将所述混合液倾倒在粘贴好透明胶带的基片上，用玻璃片将表面多余的所述混合液刮除；
所述固化处理温度为60℃-80℃，时间为40-60min，压强为1.013×105Pa；
(4)将所述固化薄膜从硅片上取出，即得到疏水VPM弹性体薄膜；
(5)在所述疏水VPM弹性体薄膜的两个表面分别喷涂银纳米线作为电极，所述银纳米线外边缘粘贴有铜胶带，并通过所述铜胶带固定连接电源。
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